EP3198249A2 - Verfahren und anordnung zur messung einer kraft oder eines momentes mit mehreren magnetfeldsensoren - Google Patents

Verfahren und anordnung zur messung einer kraft oder eines momentes mit mehreren magnetfeldsensoren

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Publication number
EP3198249A2
EP3198249A2 EP15797009.6A EP15797009A EP3198249A2 EP 3198249 A2 EP3198249 A2 EP 3198249A2 EP 15797009 A EP15797009 A EP 15797009A EP 3198249 A2 EP3198249 A2 EP 3198249A2
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EP
European Patent Office
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magnetic field
axis
magnetization
field sensor
force
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15797009.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Neuschaefer-Rube
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP3198249A2 publication Critical patent/EP3198249A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/102—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving magnetostrictive means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/18—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance
    • G01B7/20—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance formed by printed-circuit technique
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/12—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
    • G01L1/125—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress by using magnetostrictive means
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G—PHYSICS
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    • G01L5/169—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using magnetic means
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
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    • H—ELECTRICITY
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    • H05K1/111—Pads for surface mounting, e.g. lay-out
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    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
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    • H05K1/18—Printed circuits structurally associated with non-printed electric components
    • H05K1/189—Printed circuits structurally associated with non-printed electric components characterised by the use of flexible or folded printed circuits

Definitions

  • the present invention initially relates to an arrangement for measuring a force and / or moment on an axis extending in an axis
  • Machine element with at least two magnetic field sensors using the inverse magnetostrictive effect Furthermore, the invention relates to a method for measuring a force and / or a moment, wherein the force or the moment acts on a machine element extending in an axis.
  • the wave has extensive magnetizations.
  • a magnetoelastic force sensor which is designed to measure forces on an element which is circumferentially magnetized.
  • US 5,321,985 teaches a magnetostrictive torque sensor in which a magnetostrictive layer is applied to the outer surface of a shaft and positioned opposite excitation and detection coils. A torque acting on the shaft causes a material stress in the
  • magnetostrictive layer whereby their relative magnetic permeability changes depending on the direction.
  • the magnetic field emerging from the magnetostrictive layer can be measured with the detection coils.
  • DE 699 36 138 T2 shows a magnetic force sensor in which a magnetized material is exposed to a bending moment, wherein the external magnetic field of the magnetized material can be determined by means of a sensor arrangement.
  • DE 600 07 6 1 T2 shows a transducer element which is provided for a torque or force sensor converter. In this transducer element are
  • Magnetizations formed in a radially inner region and in a radially outer region.
  • magnetostrictive elements applied in two groups in a zig-zag pattern.
  • Magnetization known.
  • the magnetization is formed in a ferromagnetic, magnetostrictive material of a shaft and extends in a circle around the shaft.
  • US Pat. No. 7,752,923 B2 shows a magnetostrictive torque sensor in which a magnetically insulating layer and a magnetostrictive layer are applied to a shaft.
  • DE 601 05 794 T2 shows a force-sensitive transducer element with a body of magnetic material, wherein in the body at least two magnetized areas are formed, which at an angle to the Power transmission direction extend and opposite
  • DE 691 32 101 T2 shows a magnetic image sensor with a wire which has a magnetization in the circumferential direction.
  • WO 01/27638 A1 shows an acceleration sensor with a shaft which is magnetized circumferentially or longitudinally. From WO 2006/053244 A2 a torque sensor is known which has a
  • Magnetization on a rotating shaft comprises.
  • the magnetization is formed circumferentially.
  • US 8,191,431 B2 shows a sensor arrangement with a magnetized shaft.
  • the object of the present invention is to expand the possibilities for measuring forces and / or moments based on the inverse-magnetostrictive effect. Said object is achieved by a machine element according to the appended claim 1 and by a method according to the appended independent claim 10.
  • the arrangement according to the invention serves to measure a force and / or a moment on a machine element extending in an axis.
  • the force or the moment acts on the machine element, which leads to mechanical stresses and the machine element usually deforms slightly.
  • the axis preferably forms an axis of rotation of the machine element.
  • the machine element has a magnetization area extending circumferentially around the axis for a magnetization formed in the machine element. It is thus a revolving around the axis
  • Magnetization region wherein the axis itself preferably does not form part of
  • Magnetization area forms.
  • the magnetization region has a tangential orientation with respect to a surface of the machine element extending around the axis.
  • the magnetization region preferably has only a tangential orientation with respect to a surface of the machine element extending around the axis.
  • the magnetization region preferably extends along a closed path around the axis, wherein the magnetization region may have short gaps.
  • the magnetization region forms a primary sensor for determining the force or moment.
  • the arrangement further comprises at least a first magnetic field sensor and a second magnetic field sensor, each of which has a secondary sensor for
  • Magnetization area is used to convert the force to be measured or the moment to be measured in a corresponding magnetic field, while the
  • the first magnetic field sensor and the second magnetic field sensor are each designed for the individual measurement of at least one first direction component and a second direction component of a magnetic field caused by the magnetization as well as by the force and / or by the moment.
  • the suitability of the at least two magnetic field sensors for the individual measurement of the at least two directional components of the magnetic field can be formed directly or indirectly.
  • the at least two directional components are each
  • the said magnetic field occurs due to the inverse magnetostrictive effect.
  • the first directional component measurable with the first magnetic field sensor and the second directional component measurable with the first magnetic field sensor are differently oriented relative to the axis.
  • those with the second Magnetic field sensor measurable first directional component and the second directional component measurable with the second magnetic field sensor differently oriented with respect to the axis.
  • the first magnetic field sensor and the second magnetic field sensor are arranged at different circumferential positions around the axis.
  • the first magnetic field sensor and the second magnetic field sensor have different rotational angles with respect to the axis.
  • a particular advantage of the arrangement according to the invention is that it allows the measurement of different vectorial components of the force acting on the machine element or the force acting on the machine element torque.
  • the arrangement thus allows a multifunctional measurement.
  • the magnetization region can be permanently or temporarily magnetized.
  • the inventive arrangement is the
  • Magnetization area permanently magnetized, so that the magnetization is formed by a permanent magnetization.
  • Embodiments of the inventive arrangement further comprises a magnet for magnetizing the magnetization region, so that the
  • Magnetization of the magnetization region is basically temporary.
  • the magnet may be formed by a permanent magnet or preferably by an electromagnet.
  • the permanently or temporarily magnetized magnetization region is preferably magnetically neutral in a state of the machine element that is unloaded by a force or momentarily outside the magnetization region, so that no technically relevant magnetic field outside the magnetization region can be measured.
  • the magnetization region represents a part of the volume of the machine element.
  • the magnetization region is preferably annular, wherein the Axis of the machine element also forms a central axis of the ring shape.
  • the magnetization region has the shape of a hollow cylinder coaxial with the axis of the machine element.
  • Directional components of the magnetic field can be given by the fact that the magnetic field sensors each comprise two or three magnetic field sensor elements, each for measuring a single of the direction components of the caused by the magnetization and by the force and / or by the moment
  • Magnetic field are formed.
  • the magnetic field sensor elements need not be arranged in a common housing.
  • the magnetic field sensor elements are preferably identical, but differently oriented.
  • the at least two directional components measurable with the magnetic field sensors are preferably selected from the following group of directions: a direction parallel to the axis, i. H. an axial direction; a direction radial to the axis, d. H. a radial direction and a direction tangential to the axis, d. H. a tangential direction.
  • a direction parallel to the axis i. H. an axial direction
  • a direction radial to the axis d. H. a radial direction
  • a direction tangential to the axis d. H. a tangential direction.
  • Direction components of the magnetic field formed For example, in an annular magnetization region, the axial direction component of
  • Magnetizing area is measured.
  • the first directional component measurable with the first magnetic field sensor and the second directional component measurable with the first magnetic field sensor are preferably arranged perpendicular to one another with respect to the axis, e.g. B. tangential and radial.
  • the axial direction, the radial direction and the tangential direction are perpendicular to each other.
  • the first directional component measurable with the second magnetic field sensor and the second directional component measurable with the second magnetic field sensor are preferably arranged perpendicular to one another.
  • the axial direction, the radial direction and the tangential direction are perpendicular to each other.
  • the first directional component measurable with the first magnetic field sensor and the first directional component measurable with the second magnetic field sensor are aligned identically.
  • the second directional component measurable with the first magnetic field sensor and the second directional component measurable with the second magnetic field sensor are likewise aligned identically.
  • the first directional component of both magnetic field sensors may be the axial direction, while the second directional component of both magnetic field sensors is the tangential direction.
  • the at least two magnetic field sensors are each further designed to measure a third directional component of the magnetic field caused by the magnetization and by the force and / or by the moment.
  • Magnetic field sensor measurable third direction component and the measurable with the second magnetic field sensor third direction component are preferably aligned the same.
  • the three directional components are preferred by the axial
  • Magnetic field sensor measurable second direction component and the measurable with the first magnetic field sensor third directional component perpendicular to each other. Accordingly, the first directional component measurable by the second magnetic field sensor, the second directional component measurable by the second magnetic field sensor and the third directional component measurable by the second magnetic field sensor are arranged perpendicular to one another. In preferred embodiments of the arrangement according to the invention, this further comprises a third magnetic field sensor for separately measuring at least a first and a second directional component of the magnetic field caused by the magnetization and by the force and / or by the moment.
  • the above-described preferred embodiments of the direction components measurable with the first magnetic field sensor and with the second magnetic field sensor apply in the same way to the third magnetic field sensor. For example, the third one
  • Magnetic field sensor preferably also designed to measure a third directional component of the magnetic field caused by the magnetization and by the force and / or by the moment.
  • the three directional components are preferably also formed by the axial direction, the radial direction and the tangential direction with respect to the axis of the machine element.
  • this further comprises a fourth magnetic field sensor for individually measuring at least a first and a second directional component of the magnetic field caused by the magnetization and by the force and / or by the moment.
  • a fourth magnetic field sensor for individually measuring at least a first and a second directional component of the magnetic field caused by the magnetization and by the force and / or by the moment.
  • Directional components are also preferred by the axial direction, the radial direction and the tangential direction with respect to the axis of the
  • the inventive arrangement can also more than four of
  • Magnetic field sensors include.
  • the measurable with the magnetic field sensors first directional component is preferably formed by the direction parallel to the axis of the machine element, that is, by the axial direction.
  • the second directional component measurable with the magnetic field sensors is preferably formed by the direction radial to the axis of the machine element, ie by the radial direction.
  • the third directional component measurable with the magnetic field sensors is preferably formed by the direction tangential to the axis of the machine element, i. H.
  • the at least two magnetic field sensors preferably have the same distance from the axis of the machine element.
  • the at least two magnetic field sensors can be arranged outside the machine element or even within a cavity of the machine element, for example when the machine element is formed by a hollow shaft.
  • the at least two magnetic field sensors are preferably arranged distributed at the same axial position as the magnetization region around the axis.
  • the magnetic field sensors have the same axial position as the
  • the at least two magnetic field sensors are preferably distributed around a single point of the axis.
  • the at least two magnetic field sensors are preferably arranged distributed equally around the axis. Insofar as the arrangement according to the invention comprises exactly two of the magnetic field sensors, these consequently have an angle of 180 ° to one another with respect to the axis. Insofar as the arrangement according to the invention comprises exactly three of the magnetic field sensors, two adjacent ones of the magnetic field sensors consequently have an angle of 120 ° to one another with respect to the axis. Insofar as the arrangement according to the invention comprises exactly four of the magnetic field sensors, two adjacent ones of the magnetic field sensors consequently have an angle of 90 ° to one another with respect to the axis.
  • this comprises four of the magnetic field sensors, with the four Magnetic field sensors measurable three directional components through the direction parallel to the axis, formed by the direction radial to the axis and by the direction tangential to the axis. Neighboring each of the four magnetic field sensors have an angle of 90 ° to each other with respect to the axis.
  • this comprises four of the magnetic field sensors, wherein the two directional components measurable by the four magnetic field sensors are formed by the direction parallel to the axis and by the direction tangential to the axis. Neighboring each of the four magnetic field sensors have an angle of 90 ° to each other with respect to the axis.
  • this comprises four of the magnetic field sensors, wherein the two directional components measurable by the four magnetic field sensors are formed by the direction parallel to the axis and by the direction radially to the axis. Neighboring each of the four magnetic field sensors have an angle of 90 ° to each other with respect to the axis.
  • these three of the magnetic field sensors wherein the three directional components measurable by the three magnetic field sensors are formed by the direction parallel to the axis, by the direction tangential to the axis and by the direction radially to the axis.
  • Respectively adjacent three magnetic field sensors have an angle of 120 ° to each other with respect to the axis.
  • these three of the magnetic field sensors wherein the two directional components measurable by the three magnetic field sensors are formed by the direction parallel to the axis and by the direction tangential to the axis. Respectively adjacent three magnetic field sensors have an angle of 120 ° to each other with respect to the axis. In a sixth particularly preferred embodiment of the arrangement according to the invention, these three of the magnetic field sensors, wherein the two directional components measurable by the three magnetic field sensors are formed by the direction parallel to the axis and by the direction radially to the axis. Respective adjacent three magnetic field sensors are at an angle of 20 ° to each other with respect to the axis.
  • this comprises two of the magnetic field sensors, wherein the three directional components measurable by the two magnetic field sensors are formed by the direction parallel to the axis, by the direction tangential to the axis and by the direction radial to the axis.
  • the two magnetic field sensors are at an angle of 180 ° to each other with respect to the axis.
  • the machine element extends in a first section in the axis, so that the axis is to be regarded as a first axis. In the first section, the machine element has the magnetization region, so that it is to be regarded as a first magnetization region.
  • the machine element also has a second section in which it extends in a second axis arranged perpendicular to the first axis. As a result, the machine element extends at a right angle.
  • the arrangement according to the invention is formed both in the first section and in the second section.
  • the machine element in the second section has a second circumferentially extending around the axis
  • Magnetization region for a second magnetization and at least one first magnetic field sensor assigned to the second section and a second magnetic field sensor assigned to the second section.
  • Embodiments of the magnetization region likewise apply to the second magnetization region.
  • the magnetic field sensors assigned to the second section are each used to measure at least one first and one second direction component of a through the second magnetization and formed by the force and / or caused by the moment second magnetic field.
  • Direction components are aligned differently. Likewise, the second directional component measurable with the second magnetic field sensor assigned to the second section and the second directional component measurable with the second magnetic field sensor assigned to the second section are different
  • the second magnetic field sensor assigned to the second section and the second magnetic field sensor assigned to the second section are on
  • This particular embodiment already allows the measurement of forces and moments in all three spatial directions with exactly two magnetic field sensors assigned to the first section and exactly two of the second section
  • the magnetization region preferably has a high magnetostriction.
  • the magnetization region may also be formed a plurality of times, so that the machine element of the arrangement according to the invention preferably has several of the magnetization regions. In this way, for example, the disturbing influence of external magnetic fields can be compensated. Preferred are the
  • the respective adjacent ones of the magnetization regions are axially spaced side by side and differ only in their polarity, d. H. in their sense of circulation.
  • the respective adjacent ones of the magnetization regions are axially spaced side by side and differ only in their polarity, d. H. in their sense of circulation.
  • the machine element preferably has the shape of a prism or a cylinder, wherein the prism or the cylinder is arranged coaxially to the axis.
  • the prism or the cylinder is preferably straight. This is especially preferred
  • Machine element in the form of a right circular cylinder, wherein the
  • Circular cylinder is arranged coaxially to the axis.
  • the prism or the cylinder is conical.
  • the prism or the cylinder can also be hollow.
  • the machine element is preferably formed by a shaft, by a hollow shaft, by a shift fork or by a flange.
  • the shaft, the shift fork or the flange can be designed for loads due to different forces and moments.
  • the machine element can also be formed by completely different types of machine elements.
  • the at least two magnetic field sensors are preferably each by a
  • Such semiconductor sensors directly allow the measurement of several directional components of the magnetic field.
  • Magnetic field sensor elements are alternatively preferably formed by Hall sensors, coils, forester probes or fluxgate magnetometers. In principle, other sensor types can also be used insofar as they are suitable for measuring a single or a plurality of individual directional components of the magnetic field produced by the inverse magnetostrictive effect.
  • the method according to the invention is used to measure a force and / or a moment. The force and / or moment acts on one axis
  • the machine element has a magnetization region extending around the axis for magnetization extending around the axis.
  • the force or moment is measured at at least two different circumferential positions about the axis.
  • At least two differently oriented directional components of a magnetic field caused by the magnetization as well as by the force and / or by the moment are determined at these two positions.
  • a particular advantage of the method according to the invention is that it allows the flexible measurement of different directional components of the occurring force and the occurring moment.
  • the process of the invention is preferably used on the inventive
  • the method according to the invention preferably also has those features which are specified in connection with the arrangement according to the invention and its preferred embodiments.
  • Fig. 1 shows a first preferred embodiment of the invention
  • Fig. 2 shows a second preferred embodiment of the invention
  • Fig. 3 shows a third preferred embodiment of the invention
  • Fig. 4 shows a fourth preferred embodiment of the invention
  • Fig. 5 shows a fifth preferred embodiment of the invention
  • Fig. 6 shows a sixth preferred embodiment of the invention
  • Fig. 7 shows a seventh preferred embodiment of the invention
  • Fig. 8 shows an eighth preferred embodiment of the invention
  • Fig. 1 to Fig. 7 show the arrangement according to the invention in two views.
  • the left parts of the figures each comprise a cross-sectional view, while the right parts of the figures each comprise a plan view of the respective embodiment of the arrangement according to the invention.
  • Fig. 1 shows a first preferred embodiment of the invention
  • the arrangement initially comprises a machine element in the form of a flange 01, which is fastened to a base body 02.
  • the flange 01 has the shape of a hollow circular cylinder.
  • the flange 01 extends in an axis 03, which also forms the central axis of the hollow cylindrical shape of the flange 01.
  • the flange 01 is made of a magnetoelastic material containing the
  • Permanent magnetization region 04 is formed, which extends circumferentially around the axis 03 around.
  • the four magnetic field sensors 11, 12, 13, 14 Surrounding the flange 01 around four magnetic field sensors 11, 12, 13, 14 are arranged, which have an equal distance from the axis 03 and are arranged uniformly distributed about this.
  • the four magnetic field sensors 11, 12, 13, 14 face the permanent magnetization 04.
  • the four magnetic field sensors 11, 12, 13, 14 are each formed, for example, by a semiconductor sensor.
  • Magnetic field sensors 11, 12, 13, 14 are designed to each three
  • the indicated directional components have a first index, where r stands for a radial direction, a for an axial direction and t for a tangential direction with respect to the axis 03.
  • the indicated direction components have a second index, which indicates a rotation angle ⁇ in degrees.
  • the three directional components M X , M y and M z of a moment acting on the flange 01 and the directional components F y and F z of a force acting on the flange 01 can be measured.
  • Fig. 2 shows a second preferred embodiment of the invention
  • This embodiment is initially similar to that shown in FIG.
  • Magnetic field sensor elements (not shown) for measuring each one of the two directional components include.
  • Fig. 3 shows a third preferred embodiment of the invention
  • This embodiment is initially similar to that shown in FIG.
  • the magnetic field sensors each comprise two magnetic field sensor elements (not shown) for measuring one of the two directional components.
  • Fig. 4 shows a fourth preferred embodiment of the invention
  • This embodiment is initially similar to that shown in FIG.
  • Fig. 5 shows a fifth preferred embodiment of the invention
  • This embodiment is initially similar to that shown in FIG.
  • Magnetic field sensor elements (not shown) for measuring each one of the two directional components include.
  • FIG. 6 shows a sixth preferred embodiment of the arrangement according to the invention. This embodiment is initially similar to that shown in FIG.
  • the magnetic field sensors each comprise two magnetic field sensor elements (not shown) for measuring one of the two directional components.
  • Fig. 7 shows a seventh preferred embodiment of the invention
  • This embodiment is initially similar to that shown in FIG.
  • Fig. 8 shows an eighth preferred embodiment of the invention
  • This embodiment is initially similar to that shown in FIG.
  • the flange extends only in a first section 16 in the axis 03, so that the axis 03 forms a first axis 03.
  • the flange 01 extends in a second axis 18 which is perpendicular to the first axis 03.
  • the flange 01 has in its second section 17 a second
  • Permanent magnetization region 04 the two magnetic field sensors 12, 14 are assigned.
  • a first magnetic field sensor 21 and a second magnetic field sensor 22 are associated with the second permanent magnetization region 19.

Landscapes

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  • Electromagnetism (AREA)
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  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
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  • Power Steering Mechanism (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Messen einer Kraft- und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse (03) erstreckenden Maschinenelement (01) unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Das Maschinenelement (01) weist einen sich umfänglich um die Achse (03) herum erstreckenden Magnetisierungsbereich (04) für eine Magnetisierung auf. Die Anordnung umfasst mindestens einen ersten Magnetfeldsensor (11) und einen zweiten Magnetfeldsensor (12), welche jeweils zur einzelnen Messung einer ersten und einer zweiten Richtungskornponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind. Die mit dem ersten Magnetfeldsensor (11) messbaren Richtungskomponenten sind unterschiedlich ausgerichtet. Ebenso sind die mit dem zweiten Magnetfeldsensor (12) messbaren Richtungskomponenten unterschiedlich ausgerichtet. Der erste Magnetfeldsensor (11) und der zweite Magnetfeldsensor (12) sind an unterschiedlichen umfänglichen Positionen um die Achse (03) herum angeordnet.

Description

Verfahren und Anordnung zur Messung einer Kraft oder eines Momentes mit mehreren Magnetfeldsensoren
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden
Maschinenelement mit mindestens zwei Magnetfeldsensoren unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes, wobei die Kraft bzw. das Moment auf ein sich in einer Achse erstreckendes Maschinenelement wirkt.
Die US 8,087,304 B2 zeigt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor zum
Messen eines auf eine Welle wirkenden Drehmomentes. Die Welle weist umfängliche Magnetisierungen auf.
Aus der US 2012/0296577 A1 ist ein magnetoelastischer Kraftsensor bekannt, der zur Messung von Kräften an einem Element ausgebildet ist, welches umfänglich magnetisiert ist. Die US 5,321 ,985 lehrt einen magnetostriktiven Drehmomentsensor, bei welchem eine magnetostriktive Schicht auf die äußere Oberfläche einer Welle aufgebracht ist und gegenüber von Anregungs- und Detektionsspulen positioniert ist. Ein auf die Welle wirkendes Drehmoment verursacht eine Materialspannung in der
magnetostriktiven Schicht, wodurch sich deren relative magnetische Permeabilität richtungsabhängig ändert. Das aus der magnetostriktiven Schicht austretende magnetische Feld ist mit den Detektionsspulen messbar.
Die DE 699 36 138 T2 zeigt einen magnetischen Kraftsensor, bei welchem ein magnetisiertes Material einem Biegemoment ausgesetzt ist, wobei mithilfe einer Sensoranordnung das äußere Magnetfeld des magnetisierten Materials bestimmbar ist. Die DE 600 07 6 1 T2 zeigt ein Wandlerelement, welches für einen Drehmomentoder Kraftsensorwandler vorgesehen ist. Bei diesem Wandlerelement sind
Magnetisierungen in einer radial inneren Region und in einer radial äußeren Region ausgebildet.
Aus der DE 603 09 678 T2 ist ein Verfahren zum Erfassen eines Drehmomentes in einer Welle bekannt, bei welchem Magnetfelder mit alternierender Polarität erzeugt werden, welche mit einer Sensoranordnung gemessen werden. Die US 2007/0022809 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Messung von Drehmomenten, bei welcher eine Schicht aus einem magnetostriktiven Material in einer Welle ausgebildet ist.
Die DE 39 40 220 A1 lehrt einen Belastungssensor zur Messung von Belastungen infolge eines auf eine Welle wirkenden Drehmomentes. Auf die Welle sind
magnetostriktive Elemente in zwei Gruppen in einem Zick-Zack-Muster aufgebracht.
Aus der US 5,052,232 ist ein magnetoelastischer Drehmomentsensor bekannt, bei welchem ein Maschinenelement mit zwei umlaufenden magnetostriktiven
Beschichtungen versehen ist.
Aus der DE 698 38 904 T2 ist ein Drehmomentsensor mit kreisförmiger
Magnetisierung bekannt. Die Magnetisierung ist in einem ferromagnetischen, magnetostriktiven Material einer Welle ausgebildet und erstreckt sich kreisförmig um die Welle.
Die US 7,752,923 B2 zeigt einen magnetostriktiven Drehmomentsensor, bei welchem auf eine Welle eine magnetisch isolierende Schicht und darauf eine magnetostriktive Schicht aufgebracht sind.
Die DE 601 05 794 T2 zeigt ein kraftempfindliches Wandlerelement mit einem Körper aus magnetischem Material, wobei in dem Körper mindestens zwei magnetisierte Bereiche ausgebildet sind, welche sich unter einem Winkel zu der Kraftübermittlungsrichtung erstrecken und entgegengesetzte
Magnetisierungspolaritäten aufweisen.
Die DE 691 32 101 T2 zeigt einen magnetischen Bildsensor mit einem Draht, der eine Magnetisierung in Umfangsrichtung aufweist.
Aus der DE 692 22 588 T2 ist ein ringförmig magnetisierter Drehmomentsensor bekannt. Die WO 2007/048143 A2 lehrt einen Sensor mit einem magnetisierten Schaft.
Die WO 01/27638 A1 zeigt einen Beschleunigungssensor mit einem Schaft, der umfänglich oder longitudinal magnetisiert ist. Aus der WO 2006/053244 A2 ist ein Drehmomentsensor bekannt, der eine
Magnetisierung an einem rotierenden Schaft umfasst. Die Magnetisierung ist umfänglich ausgebildet.
Die US 8,191 ,431 B2 zeigt eine Sensoranordnung mit einem magnetisierten Schaft.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Möglichkeiten für eine auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhende Messung von Kräften und/oder Momenten zu erweitern. Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Maschinenelement gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10.
Die erfindungsgemäße Anordnung dient zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Die Kraft bzw. das Moment wirkt auf das Maschinenelement, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig verformt. Die Achse bildet bevorzugt eine Rotationsachse des Maschinenelementes. Das Maschinenelement weist einen sich umfänglich um die Achse herum erstreckenden Magnetisierungsbereich für eine im Maschinenelement ausgebildete Magnetisierung auf. Es handelt sich somit um einen die Achse umlaufenden
Magnetisierungsbereich, wobei die Achse selbst bevorzugt nicht einen Teil des
Magnetisierungsbereiches bildet. Der Magnetisierungsbereich weist eine tangentiale Ausrichtung in Bezug auf eine sich um die Achse herum erstreckende Oberfläche des Maschinenelementes auf. Der Magnetisierungsbereich weist bevorzugt ausschließlich eine tangentiale Ausrichtung in Bezug auf eine sich um die Achse herum erstreckende Oberfläche des Maschinenelementes auf. Der Magnetisierungsbereich erstreckt sich bevorzugt entlang eines geschlossenen Pfades um die Achse herum, wobei der Magnetisierungsbereich kurze Lücken aufweisen darf. Der Magnetisierungsbereich bildet einen Primärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes. Die Anordnung umfasst weiterhin mindestens einen ersten Magnetfeldsensor und einen zweiten Magnetfeldsensor, welche jeweils einen Sekundärsensor zur
Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes bilden. Der Primärsensor, d. h. der
Magnetisierungsbereich dient zur Wandlung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während die
Sekundärsensoren die Wandlung dieses Magnetfeldes in elektrische Signale ermöglichen. Der erste Magnetfeldsensor und der zweite Magnetfeldsensor sind jeweils zur einzelnen Messung zumindest einer ersten Richtungskomponente und einer zweiten Richtungskomponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Die Eignung der mindestens zwei Magnetfeldsensoren zur einzelnen Messung der mindestens zwei Richtungskomponenten des Magnetfeldes kann unmittelbar oder mittelbar ausgebildet sein. Die mindestens zwei Richtungskomponenten sind jeweils
unabhängig voneinander messbar. Das genannte Magnetfeld tritt aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes auf. Somit beruht die mit der erfindungsgemäßen Anordnung mögliche Messung auf dem invers-magnetostriktiven Effekt. Die mit dem ersten Magnetfeldsensor messbare erste Richtungskomponente und die mit dem ersten Magnetfeldsensor messbare zweite Richtungskomponente sind bezogen auf die Achse unterschiedlich ausgerichtet. Ebenso sind die mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbare erste Richtungskomponente und die mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbare zweite Richtungskomponente bezogen auf die Achse unterschiedlich ausgerichtet. Somit können mit jedem der Magnetfeldsensoren unterschiedliche vektorielle Komponenten des durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes einzeln gemessen werden. Der erste Magnetfeldsensor und der zweite Magnetfeldsensor sind an unterschiedlichen umfänglichen Positionen um die Achse herum angeordnet. Somit weisen der erste Magnetfeldsensor und der zweite Magnetfeldsensor unterschiedliche Drehwinkel gegenüber der Achse auf.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass es die Messung unterschiedlicher vektorielle Komponenten der auf das Maschinenelement wirkenden Kraft bzw. des auf das Maschinenelement wirkenden Momentes erlaubt. Die Anordnung erlaubt somit eine multifunktionelle Messung.
Der Magnetisierungsbereich kann permanent oder temporär magnetisiert sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung ist der
Magnetisierungsbereich permanent magnetisiert, sodass die Magnetisierung durch eine Permanentmagnetisierung gebildet ist. Bei alternativ bevorzugten
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung weist diese weiterhin einen Magneten zum Magnetisieren des Magnetisierungsbereiches auf, sodass die
Magnetisierung des Magnetisierungsbereiches grundsätzlich temporär ist. Der Magnet kann durch einen Permanentmagneten oder bevorzugt durch einen Elektromagneten gebildet sein.
Der permanent oder temporär magnetisierte Magnetisierungsbereich ist in einem von einer Kraft bzw. von einem Moment unbelasteten Zustand des Maschinenelementes nach außerhalb des Magnetisierungsbereich bevorzugt magnetisch neutral, sodass kein technisch relevantes Magnetfeld außerhalb des Magnetisierungsbereiches messbar ist.
Der Magnetisierungsbereich stellt ein Teil des Volumens des Maschinenelementes dar. Der Magnetisierungsbereich ist bevorzugt ringförmig ausgebildet, wobei die Achse des Maschinenelementes auch eine mittlere Achse der Ringform bildet.
Besonders bevorzugt weist der Magnetisierungsbereich die Form eines zur Achse des Maschinenelementes koaxialen Hohlzylinders auf. Die Eignung der Magnetfeldsensoren zur Messung unterschiedlicher
Richtungskomponenten des Magnetfeldes kann dadurch gegeben sein, dass die Magnetfeldsensoren jeweils zwei oder drei Magnetfeldsensorelemente umfassen, die jeweils zur Messung einer einzelnen der Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten
Magnetfeldes ausgebildet sind. Die Magnetfeldsensorelemente müssen nicht in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Die Magnetfeldsensorelemente sind bevorzugt gleich ausgebildet, jedoch unterschiedlich ausgerichtet.
Die mit den Magnetfeldsensoren messbaren mindestens zwei Richtungskomponenten sind bevorzugt aus der folgenden Gruppe von Richtungen ausgewählt: eine Richtung parallel zur Achse, d. h. eine axiale Richtung; eine Richtung radial zur Achse, d. h. eine radiale Richtung und eine Richtung tangential zur Achse, d. h. eine tangentiale Richtung. Bei einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist mindestens einer der Magnetfeldsensoren zur mittelbaren Messung einer der
Richtungskomponenten des Magnetfeldes ausgebildet. Beispielsweise kann bei einem ringförmigen Magnetisierungsbereich die axiale Richtungskomponente des
Magnetfeldes mittelbar dadurch gemessen werden, dass unmittelbar eine radiale Richtungskomponente des Magnetfeldes axial beabstandet zum ringförmigen
Magnetisierungsbereich gemessen wird.
Die mit dem ersten Magnetfeldsensor messbare erste Richtungskomponente und die mit dem ersten Magnetfeldsensor messbare zweite Richtungskomponente sind bezogen auf die Achse bevorzugt senkrecht zueinander angeordnet, z. B. tangential und radial. Die axiale Richtung, die radiale Richtung und die tangentiale Richtung stehen senkrecht aufeinander. Die mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbare erste Richtungskomponente und die mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbare zweite Richtungskomponente sind bevorzugt senkrecht zueinander angeordnet. Die axiale Richtung, die radiale Richtung und die tangentiale Richtung stehen senkrecht aufeinander.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung sind die mit dem ersten Magnetfeldsensor messbare erste Richtungskomponente und die mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbare erste Richtungskomponente gleich ausgerichtet. Entsprechend sind auch die mit dem ersten Magnetfeldsensor messbare zweite Richtungskomponente und die mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbare zweite Richtungskomponente gleich ausgerichtet. Beispielsweise kann es sich bei der ersten Richtungskomponente beider Magnetfeldsensoren um die axiale Richtung handeln, während es sich bei der zweiten Richtungskomponente beider Magnetfeldsensoren um die tangentiale Richtung handelt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung sind die mindestens zwei Magnetfeldsensoren jeweils weiterhin zur Messung einer dritten Richtungskomponente des durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Die mit dem ersten
Magnetfeldsensor messbare dritte Richtungskomponente und die mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbare dritte Richtungskomponente sind bevorzugt gleich ausgerichtet. Die drei Richtungskomponenten sind bevorzugt durch die axiale
Richtung, durch die radiale Richtung und durch die tangentiale Richtung bezogen auf die Achse des Maschinenelementes gebildet. Folglich sind die mit dem ersten
Magnetfeldsensor messbare erste Richtungskomponente, die mit dem ersten
Magnetfeldsensor messbare zweite Richtungskomponente und die mit dem ersten Magnetfeldsensor messbare dritte Richtungskomponente senkrecht zueinander angeordnet. Entsprechend sind die mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbare erste Richtungskomponente, die mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbare zweite Richtungskomponente und die mit dem zweiten Magnetfeld sensor messbare dritte Richtungskomponente senkrecht zueinander angeordnet. Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst diese weiterhin einen dritten Magnetfeldsensor zur separaten Messung mindestens einer ersten und einer zweiten Richtungskomponente des durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes. Die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungen der mit dem ersten Magnetfeldsensor und mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbaren Richtungskomponenten gelten in gleicher Weise für den dritten Magnetfeldsensor. Beispielsweise ist der dritte
Magnetfeldsensor bevorzugt auch zur Messung einer dritten Richtungskomponente des durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Die drei Richtungskomponenten sind bevorzugt ebenso durch die axiale Richtung, die radiale Richtung und die tangentiale Richtung bezogen auf die Achse des Maschinenelementes gebildet.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst diese weiterhin einen vierten Magnetfeldsensor zur einzelnen Messung mindestens einer ersten und einer zweiten Richtungskomponente des durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes. Die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungen der mit dem ersten Magnetfeldsensor, mit dem zweiten Magnetfeldsensor und mit dem dritten Magnetfeldsensor messbaren Richtungskomponenten gelten in gleicher Weise für den vierten Magnetfeldsensor. Beispielsweise ist der vierte Magnetfeldsensor bevorzugt auch zur Messung einer dritten Richtungskomponente des durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Die drei
Richtungskomponenten sind bevorzugt ebenso durch die axiale Richtung, die radiale Richtung und die tangentiale Richtung bezogen auf die Achse des
Maschinenelementes gebildet.
Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Anordnung auch mehr als vier der
Magnetfeldsensoren umfassen.
Die mit den Magnetfeldsensoren messbare erste Richtungskomponente ist bevorzugt durch die Richtung parallel zur Achse des Maschinenelementes gebildet, d. h. durch die axiale Richtung. Die mit den Magnetfeldsensoren messbare zweite Richtungskomponente ist bevorzugt durch die Richtung radial zur Achse des Maschinenelementes gebildet, d. h. durch die radiale Richtung.
Die mit den Magnetfeldsensoren messbare dritte Richtungskomponente ist bevorzugt durch die Richtung tangential zur Achse des Maschinenelementes gebildet, d. h.
durch die tangentiale Richtung. Die mindestens zwei Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse des Maschinenelementes auf. Grundsätzlich können die mindestens zwei Magnetfeldsensoren außerhalb des Maschinenelementes oder auch innerhalb eines Hohlraumes des Maschinenelementes angeordnet sein, beispielsweise wenn das Maschinenelement durch eine Hohlwelle gebildet ist.
Die mindestens zwei Magnetfeldsensoren sind bevorzugt an der gleichen axialen Position wie der Magnetisierungsbereich um die Achse herum verteilt angeordnet. Somit weisen die Magnetfeldsensoren die gleiche axiale Position wie der
Magnetisierungsbereich auf. Dabei sind die mindestens zwei Magnetfeldsensoren bevorzugt um einen einzigen Punkt der Achse herum verteilt angeordnet.
Die mindestens zwei Magnetfeldsensoren sind bevorzugt um die Achse herum gleich verteilt angeordnet. Insofern die erfindungsgemäße Anordnung genau zwei der Magnetfeldsensoren umfasst, weisen diese folglich einen Winkel von 180° zueinander in Bezug auf die Achse auf. Insofern die erfindungsgemäße Anordnung genau drei der Magnetfeldsensoren umfasst, weisen zwei benachbarte der Magnetfeldsensoren folglich einen Winkel von 120° zueinander in Bezug auf die Achse auf. Insofern die erfindungsgemäße Anordnung genau vier der Magnetfeldsensoren umfasst, weisen zwei benachbarte der Magnetfeldsensoren folglich einen Winkel von 90° zueinander in Bezug auf die Achse auf.
Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst diese vier der Magnetfeldsensoren, wobei die mit den vier Magnetfeldsensoren messbaren drei Richtungskomponenten durch die Richtung parallel zur Achse, durch die Richtung radial zur Achse und durch die Richtung tangential zur Achse gebildet sind. Jeweils benachbarte der vier Magnetfeldsensoren weisen einen Winkel von 90° zueinander in Bezug auf die Achse auf.
Bei einer zweiten besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst diese vier der Magnetfeldsensoren, wobei die mit den vier Magnetfeldsensoren messbaren zwei Richtungskomponenten durch die Richtung parallel zur Achse und durch die Richtung tangential zur Achse gebildet sind. Jeweils benachbarte der vier Magnetfeldsensoren weisen einen Winkel von 90° zueinander in Bezug auf die Achse auf.
Bei einer dritten besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst diese vier der Magnetfeldsensoren, wobei die mit den vier Magnetfeldsensoren messbaren zwei Richtungskomponenten durch die Richtung parallel zur Achse und durch die Richtung radial zur Achse gebildet sind. Jeweils benachbarte der vier Magnetfeldsensoren weisen einen Winkel von 90° zueinander in Bezug auf die Achse auf. Bei einer vierten besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst diese drei der Magnetfeldsensoren, wobei die mit den drei Magnetfeldsensoren messbaren drei Richtungskomponenten durch die Richtung parallel zur Achse, durch die Richtung tangential zur Achse und durch die Richtung radial zur Achse gebildet sind. Jeweils benachbarte der drei Magnetfeldsensoren weisen einen Winkel von 120° zueinander in Bezug auf die Achse auf.
Bei einer fünften besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst diese drei der Magnetfeldsensoren, wobei die mit den drei Magnetfeldsensoren messbaren zwei Richtungskomponenten durch die Richtung parallel zur Achse und durch die Richtung tangential zur Achse gebildet sind. Jeweils benachbarte der drei Magnetfeldsensoren weisen einen Winkel von 120° zueinander in Bezug auf die Achse auf. Bei einer sechsten besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst diese drei der Magnetfeldsensoren, wobei die mit den drei Magnetfeldsensoren messbaren zwei Richtungskomponenten durch die Richtung parallel zur Achse und durch die Richtung radial zur Achse gebildet sind. Jeweils benachbarte der drei Magnetfeldsensoren weisen einen Winkel von 20° zueinander in Bezug auf die Achse auf.
Bei einer siebten besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst diese zwei der Magnetfeldsensoren, wobei die mit den beiden Magnetfeldsensoren messbaren drei Richtungskomponenten durch die Richtung parallel zur Achse, durch die Richtung tangential zur Achse und durch die Richtung radial zur Achse gebildet sind. Die beiden Magnetfeldsensoren weisen einen Winkel von 180° zueinander in Bezug auf die Achse auf. Bei einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung erstreckt das Maschinenelement in einem ersten Abschnitt in der Achse, sodass die Achse als eine erste Achse anzusehen ist. In dem ersten Abschnitt weist das Maschineelement den Magnetisierungsbereich auf, sodass dieser als ein erster Magnetisierungsbereich anzusehen ist. Das Maschinenelement weist zudem einen zweiten Abschnitt auf, in welchem es sich in einer senkrecht zur ersten Achse angeordneten zweiten Achse erstreckt. Folglich erstreckt sich das Maschinenelement in einem rechten Winkel. Die erfindungsgemäße Anordnung ist sowohl im ersten Abschnitt als auch im zweiten Abschnitt ausgebildet. Hierfür besitzt das Maschinenelement im zweiten Abschnitt einen sich umfänglich um die Achse herum erstreckenden zweiten
Magnetisierungsbereich für eine zweite Magnetisierung sowie mindestens einen dem zweiten Abschnitt zugeordneten ersten Magnetfeldsensor und einen dem zweiten Abschnitt zugeordneten zweiten Magnetfeldsensor. Die oben beschriebenen
Ausführungen des Magnetisierungsbereiches gelten in gleicher weise auch für den zweiten Magnetisierungsbereich. Die oben beschriebenen Ausführungen der
Magnetfeldsensoren gelten in gleicher Weise auch für die dem zweiten
Magnetisierungsbereich zugeordneten Magnetfeldsensoren. Insbesondere sind die dem zweiten Abschnitt zugeordneten Magnetfeldsensoren jeweils zur Messung zumindest einer ersten und einer zweiten Richtungskomponente eines durch die zweite Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten zweiten Magnetfeldes ausgebildet. Die mit dem dem zweiten Abschnitt zugeordneten ersten Magnetfeldsensor messbare erste Richtungskomponente und die mit dem dem zweiten Abschnitt zugeordneten ersten Magnetfeldsensor messbare zweite
Richtungskomponente sind unterschiedlich ausgerichtet. Ebenso sind die mit dem dem zweiten Abschnitt zugeordneten zweiten Magnetfeldsensor messbare erste Richtungskomponente und die mit dem dem zweiten Abschnitt zugeordneten zweiten Magnetfeldsensor messbare zweite Richtungskomponente unterschiedlich
ausgerichtet. Der dem zweiten Abschnitt zugeordnete erste Magnetfeldsensor und der dem zweiten Abschnitt zugeordnete zweite Magnetfeldsensor sind an
unterschiedlichen umfänglichen Positionen um die zweite Achse herum angeordnet. Diese besondere Ausführungsform erlaubt die Messung von Kräften und Momenten jeweils in alle drei Raumrichtungen bereits mit genau zwei dem ersten Abschnitt zugeordneten Magnetfeldsensoren und genau zwei dem zweiten Abschnitt
zugeordneten Magnetfeldsensoren.
Der Magnetisierungsbereich weist bevorzugt eine hohe Magnetostriktivität auf.
Der Magnetisierungsbereich kann auch mehrfach ausgebildet sein, sodass das Maschinenelement der erfindungsgemäßen Anordnung bevorzugt mehrere der Magnetisierungsbereiche aufweist. Hierdurch kann beispielsweise der störende Einfluss von Fremdmagnetfeldern kompensiert werden. Bevorzugt sind die
umlaufenden Magnetisierungsbereiche axial beabstandet nebeneinander angeordnet und unterscheiden sich ausschließlich in ihrer Polarität, d. h. in ihrem Umlaufsinn. Bevorzugt weisen die jeweils benachbarten der Magnetisierungsbereiche
entgegengesetzte Polaritäten auf.
Das Maschinenelement weist bevorzugt die Form eines Prismas oder eines Zylinders auf, wobei das Prisma bzw. der Zylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Das Prisma bzw. der Zylinder ist bevorzugt gerade. Besonders bevorzugt weist das
Maschinenelement die Form eines geraden Kreiszylinders auf, wobei der
Kreiszylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Bei besonderen Ausführungsformen ist das Prisma bzw. der Zylinder konisch ausgebildet. Das Prisma bzw. der Zylinder kann auch hohl sein.
Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Welle, durch eine Hohlwelle, durch eine Schaltgabel oder durch einen Flansch gebildet. Die Welle, die Schaltgabel bzw. der Flansch können für Belastungen durch unterschiedliche Kräfte und Momente ausgelegt sein. Grundsätzlich kann das Maschinenelement auch durch völlig andersartige Maschinenelementtypen gebildet sein. Die mindestens zwei Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils durch einen
Halbleitersensor gebildet. Derartige Halbleitersensoren erlauben unmittelbar die Messung mehrerer Richtungskomponenten des Magnetfeldes. Die mindestens zwei Magnetfeldsensoren bzw. die von den Magnetfeldsensoren umfassten
Magnetfeldsensorelemente sind alternativ bevorzugt durch Hall-Sensoren, Spulen, Förstersonden oder Fluxgate-Magnetometer gebildet. Grundsätzlich können auch andere Sensortypen verwendet werden, insofern sie zur Messung einer einzelnen oder mehrerer einzelner Richtungskomponenten des durch den invers- magnetostriktiven Effekt hervorgerufenen magnetischen Feldes geeignet sind. Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes. Die Kraft und/oder das Moment wirkt auf ein sich in einer Achse
erstreckendes Maschinenelement. Das Maschinenelement weist einen sich um die Achse herum erstreckenden Magnetisierungsbereich für eine sich um die Achse herum erstreckende Magnetisierung auf. Es erfolgt ein Messen der Kraft bzw. des Momentes an mindestens zwei unterschiedlichen umfänglichen Positionen um die Achse. An diesen zwei Positionen werden jeweils mindestens zwei unterschiedlich ausgerichtete Richtungskomponenten eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes bestimmt. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es die flexible Messung unterschiedlicher Richtungskomponenten der auftretenden Kraft und des auftretenden Momentes ermöglicht. Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt an der erfindungsgemäßen
Anordnung und deren bevorzugten Ausführungsformen durchgeführt. Im Übrigen weist das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt auch diejenigen Merkmale auf, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anordnung und deren bevorzugten Ausführungsformen angegeben sind.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung mit vier Magnetfeldsensoren;
Fig. 2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung mit vier Magnetfeldsensoren;
Fig. 3 eine dritte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung mit vier Magnetfeldsensoren;
Fig. 4 eine vierte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung mit drei Magnetfeldsensoren;
Fig. 5 eine fünfte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung mit drei Magnetfeldsensoren;
Fig. 6 eine sechste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung mit drei Magnetfeld sensoren;
Fig. 7 eine siebte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung mit zwei Magnetfeldsensoren; und
Fig. 8 eine achte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung mit vier Magnetfeldsensoren.
Fig. 1 bis Fig. 7 zeigen die erfindungsgemäße Anordnung jeweils in zwei Ansichten. Die linken Teile der Figuren umfassen jeweils eine Querschnittsansicht, während die rechten Teile der Figuren jeweils eine Aufsicht der jeweiligen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung umfassen.
Fig. 1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung. Die Anordnung umfasst zunächst ein Maschinenelement in Form eines Flansches 01 , welcher an einem Grundkörper 02 befestigt ist. Der Flansch 01 weist die Form eines hohlen Kreiszylinders auf. Der Flansch 01 erstreckt sich in einer Achse 03, welche auch die mittlere Achse der Hohlzylinderform des Flansches 01 bildet. Der Flansch 01 besteht aus einem magnetoelastischen Material, welches den
magnetostriktiven Effekt aufweist.
In einem axialen Abschnitt des Flansches 01 ist ein
Permanentmagnetisierungsbereich 04 ausgebildet, welcher sich umlaufend um die Achse 03 herum erstreckt.
Umfänglich um den Flansch 01 herum sind vier Magnetfeldsensoren 11 , 12, 13, 14 angeordnet, welche einen gleichen Abstand zur Achse 03 aufweisen und um diese gleichverteilt angeordnet sind. Die vier Magnetfeldsensoren 11 , 12, 13, 14 stehen der Permanentmagnetisierung 04 gegenüber. Die vier Magnetfeldsensoren 11 , 12, 13, 14 sind beispielsweise jeweils durch einen Halbleitersensor gebildet. Die vier
Magnetfeldsensoren 11 , 12, 13, 14 sind dazu ausgebildet, jeweils drei
Richtungskomponenten eines Magnetfeldes B einzeln zu messen. Diese Eignung kann alternativ dadurch gegeben sein, dass die Magnetfeldsensoren jeweils drei Magnetfeldsensorelemente (nicht gezeigt) zur Messung jeweils einer der
Richtungskomponenten umfassen.
Es sind die drei kartesischen Richtungen x, y und z dargestellt, wobei die Achse 03 in der x-Richtung liegt. Es sind weiterhin für jeden der vier Magnetfeldsensoren 11 , 12, 13, 14 die jeweils messbaren Richtungskomponenten des Magnetfeldes B
angegeben. Die angegebenen Richtungskomponenten weisen einen ersten Index auf, wobei r für eine radiale Richtung, a für eine axiale Richtung und t für eine tangentiale Richtung bezogen auf die Achse 03 steht. Die angegebenen Richtungskomponenten weisen einen zweiten Index auf, welcher einen Drehwinkel α in Grad angibt. Der Drehwinkel α ist zwischen der Position des jeweiligen der Magnetfeldsensoren 11 , 12, 13, 14 und der z-Achse aufgespannt. Da die vier Magnetfeldsensoren 11 , 12, 13, 14 um die Achse 03 herum gleichverteilt angeordnet sind, beträgt der Drehwinkel α = 0°, 90° , 180° bzw. 270°.
Mit der gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich die drei Richtungskomponenten MX, My und Mz eines auf den Flansch 01 wirkenden Momentes und die Richtungskomponenten Fy und Fz einer auf den Flansch 01 wirkenden Kraft messen. Es gelten die folgenden Zusammenhänge:
Fig. 2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsform. Abweichend von der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform sind die vier Magnetfeldsensoren 1 1 , 12, 13, 14 dazu ausgebildet, jeweils nur zwei
Richtungskomponenten des Magnetfeldes B einzeln zu messen, nämlich in der axialen Richtung und in der tangentialen Richtung. Diese Eignung kann alternativ dadurch gegeben sein, dass die Magnetfeldsensoren jeweils zwei
Magnetfeldsensorelemente (nicht gezeigt) zur Messung jeweils einer der beiden Richtungskomponenten umfassen.
Es gelten die folgenden Zusammenhänge:
Fig. 3 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsform. Abweichend von der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform sind die vier Magnetfeldsensoren 1 1 , 12, 13, 14 dazu ausgebildet, jeweils nur zwei
Richtungskomponenten des Magnetfeldes B einzeln zu messen, nämlich in der axialen Richtung und in der radialen Richtung. Diese Eignung kann alternativ dadurch gegeben sein, dass die Magnetfeldsensoren jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente (nicht gezeigt) zur Messung jeweils einer der beiden Richtungskomponenten umfassen.
Es gelten die folgenden Zusammenhänge:
Fig. 4 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsform. Abweichend von der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform sind nur drei der Magnetfeldsensoren 11 , 12, 13 vorhanden. Die drei Magnetfeldsensoren 1 1 , 12, 13 sind um die Achse 03 herum gleichverteilt, sodass der Drehwinkel α = 0°, 120° bzw. 240° beträgt.
Es gelten die folgenden Zusammenhänge:
Fig. 5 zeigt eine fünfte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in Fig. 4 gezeigten
Ausführungsform. Abweichend von der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform sind die drei Magnetfeldsensoren 11 , 12, 13 dazu ausgebildet, jeweils nur zwei
Richtungskomponenten des Magnetfeldes B einzeln zu messen, nämlich in der axialen Richtung und in der tangentialen Richtung. Diese Eignung kann alternativ dadurch gegeben sein, dass die Magnetfeldsensoren jeweils zwei
Magnetfeldsensorelemente (nicht gezeigt) zur Messung jeweils einer der beiden Richtungskomponenten umfassen.
Es gelten die folgenden Zusammenhänge:
Fig. 6 zeigt eine sechste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in Fig. 4 gezeigten
Ausführungsform. Abweichend von der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform sind die drei Magnetfeldsensoren 11 , 12, 13 dazu ausgebildet, jeweils nur zwei
Richtungskomponenten des Magnetfeldes B einzeln zu messen, nämlich in der axialen Richtung und in der radialen Richtung. Diese Eignung kann alternativ dadurch gegeben sein, dass die Magnetfeldsensoren jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente (nicht gezeigt) zur Messung jeweils einer der beiden Richtungskomponenten umfassen.
Es gelten die folgenden Zusammenhänge:
Fig. 7 zeigt eine siebte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsform. Abweichend von der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform sind nur zwei der Magnetfeldsensoren 12, 14 vorhanden. Die beiden Magnetfeldsensoren 12, 14 sind um die Achse 03 herum gleichverteilt, sodass der Drehwinkel α = 90° bzw. 270° beträgt.
Es gelten die folgenden Zusammenhänge:
Fig. 8 zeigt eine achte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsform. Abweichend von der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform erstreckt sich der Flansch lediglich in einem ersten Abschnitt 16 in der Achse 03, sodass die Achse 03 eine erste Achse 03 bildet. In einem zweiten Abschnitt 17 erstreckt sich der Flansch 01 in einer zweiten Achse 18, die senkreckt zur ersten Achse 03 ist. Der Flansch 01 weist in seinem zweiten Abschnitt 17 einen zweiten
Permanentmagnetisierungsbereich 19 auf, sodass der im ersten Abschnitt 16 befindliche Permanentmagnetisierungsbereich 04 einen ersten
Permanentmagnetisierungsbereich bildet. Dem ersten
Permanentmagnetisierungsbereich 04 sind die beiden Magnetfeldsensoren 12, 14 zugeordnet. In gleicher Weise sind dem zweiten Permanentmagnetisierungsbereich 19 ein erster Magnetfeldsensor 21 und ein zweiter Magnetfeldsensor 22 zugeordnet.
Mit den vier Magnetfeldsensoren 12, 14, 21 , 22 lassen sich alle drei
Richtungskomponenten Mx, My und Mz des auf den Flansch 01 wirkenden Momentes und alle drei Richtungskomponenten Fx, Fy und Fz der auf den Flansch 01 wirkenden Kraft messen. Hierfür kann alternativ auch eine andere der in den Fig. 1 bis Fig. 7 gezeigten Magnetfeldsensoranordnungen für die beiden Abschnitte 16, 17 des Flansches 01 gewählt werden. Eine Voraussetzung dafür ist, dass die die Last bewirkende Kraft bzw. das die Last bewirkende Moment im zweiten Abschnitt 17 des Flansches 01 angreift. Bezugszeichenliste
01 Flansch
02 Grundkörper
03 Achse
04 Permanentmagnetisierungsbereich
05
06
07
08
09
10
11 erster Magnetfeldsensor
12 zweiter Magnetfeldsensor
13 dritter Magnetfeldsensor
14 vierter Magnetfeldsensor
15
16 erster Abschnitt
17 zweiter Abschnitt
18 zweite Achse
19 zweiter Permanentmagnetisierungsbereich
20
21 dem zweiten Abschnitt zugeordneter erster Magnetfeldsensor
22 dem zweiten Abschnitt zugeordneter zweiter Magnetfeldsensor

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse (03) erstreckenden Maschinenelement (01), wobei das Maschinenelement (01) einen sich umfänglich um die Achse (03) herum erstreckenden Magnetisierungsbereich (04) für eine Magnetisierung aufweist, wobei die Anordnung weiterhin mindestens einen ersten Magnetfeldsensor (11) und einen zweiten Magnetfeldsensor (12) umfasst, welche jeweils zur einzelnen Messung einer ersten und einer zweiten Richtungskomponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind, wobei die mit dem ersten Magnetfeldsensor (11) messbare erste Richtungskomponente und die mit dem ersten Magnetfeldsensor (11) messbare zweite Richtungskomponente unterschiedlich ausgerichtet sind, wobei die mit dem zweiten Magnetfeldsensor (12) messbare erste
Richtungskomponente und die mit dem zweiten Magnetfeldsensor (12) messbare zweite Richtungskomponente unterschiedlich ausgerichtet sind, und wobei der erste Magnetfeldsensor (11) und der zweite Magnetfeldsensor (12) an unterschiedlichen umfänglichen Positionen um die Achse (03) herum angeordnet sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Magnetisierungsbereich (04) permanent magnetisiert ist, sodass die Magnetisierung durch eine Permanentmagnetisierung gebildet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Magnetisierungsbereich (04) ringförmig um die Achse (03) ausgebildet ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Magnetfeldsensoren (11 , 12, 13, 14) jeweils zwei oder drei Magnetfeldsensorelemente umfassen, die jeweils zur Messung einer der
Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den mindestens zwei Magnetfeldsensoren (11 , 12, 13, 14) messbaren Richtungskomponenten ausgewählt sind aus der Gruppe der folgenden
Richtungen: eine Richtung parallel zur Achse (03), eine Richtung radial zur Achse (03) und eine Richtung tangential zur Achse (03).
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Magnetfeldsensoren (11 , 12, 13, 14) jeweils weiterhin zur Messung einer dritten Richtungskomponente des durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Magnetfeldsensoren (11 , 12, 13, 14) einen gleichen
Abstand zur Achse (03) aufweisen.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Magnetfeldsensoren (11 , 12, 13, 14) um die Achse (03) herum gleich verteilt angeordnet sind.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Maschinenelement (01) in einem ersten Abschnitt (16) in der Achse (03) erstreckt, sodass die Achse (03) eine erste Achse (03) bildet, wobei das
Maschinenelement (01) weiterhin einen zweiten Abschnitt (17) aufweist, in welchem es sich einer zweiten senkrecht zur ersten Achse (03) angeordneten zweiten Achse (18) erstreckt, wobei der zweite Abschnitt (17) einen sich umfänglich um die zweite Achse (18) herum erstreckenden zweiten
Magnetisierungsbereich (19) für eine zweite Magnetisierung aufweist, wobei die Anordnung weiterhin mindestens einen dem zweiten Abschnitt (17)
zugeordneten ersten Magnetfeldsensor (21) und einen dem zweiten Abschnitt (17) zugeordneten zweiten Magnetfeldsensor (22) umfasst, welche jeweils zur einzelnen Messung zumindest einer ersten und einer zweiten
Richtungskomponente eines durch die zweite Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind, wobei die mit dem dem zweiten Abschnitt (17) zugeordneten ersten Magnetfeldsensor (21 ) messbare erste Richtungskomponente und die mit dem dem zweiten Abschnitt (17) zugeordneten ersten Magnetfeldsensor (21 ) messbare zweite Richtungskomponente unterschiedlich ausgerichtet sind, wobei die mit dem dem zweiten Abschnitt (17) zugeordneten zweiten Magnetfeldsensor (22) messbare erste Richtungskomponente und die mit dem dem zweiten
Abschnitt (17) zugeordneten zweiten Magnetfeldsensor (22) messbare zweite Richtungskomponente unterschiedlich ausgerichtet sind, und wobei der dem zweiten Abschnitt (17) zugeordnete erste Magnetfeldsensor (21) und der dem zweiten Abschnitt (17) zugeordnete zweite Magnetfeldsensor (22) an
unterschiedlichen umfänglichen Positionen um die zweite Achse (18) herum angeordnet sind.
10. Verfahren zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes, wobei die Kraft und/oder das Moment auf ein sich in einer Achse (03) erstreckendes
Maschinenelement (01) wirkt, welches einen sich um die Achse (03) herum erstreckenden Magnetisierungsbereich (04) für eine sich um die Achse (03) herum erstreckende Magnetisierung aufweist, wobei die Kraft und/oder das Moment durch ein Messen an mindestens zwei unterschiedlichen umfänglichen Positionen um die Achse (03) herum erfolgt, an denen jeweils mindestens zwei unterschiedlich ausgerichtete Richtungskomponenten eines durch die
Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes bestimmt werden.
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